梁 進(jìn)，陸少鋒，刁 約，張 政，馬本泰，范懷斌

(1.廣西新港灣工程有限公司，廣西 南寧 530200；2.廣西大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，廣西 南寧 530004)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，航道建設(shè)向縱深推進(jìn)，山區(qū)河流不斷開發(fā)，其中急流灘航道整治是此類工程的難點，主要有卡口急流灘和陡坡急流灘，其特點為：急流、水面比降陡，常伴隨剪刀水、回流、泡水、漩渦、橫流、掃彎水、跌水、激浪等，流態(tài)惡劣。由于航區(qū)的不同，現(xiàn)有A級航區(qū)的施工船舶無法進(jìn)入J級航區(qū)(急流航區(qū))，傳統(tǒng)施工工藝在急流段(灘)施工困難，無法開展施工作業(yè)。如瀾滄江244界碑至臨滄港IV級航道整治建設(shè)工程，該項目自瀾滄江秀山碼頭上2 km至中緬243界碑，全長約387 km，其中景洪大壩以下至243界碑為天然河段，J級航段，航區(qū)內(nèi)灘上流速為 3.5～6.5 m/s。灘險類型眾多，主要是急、淺、彎、窄、險礙航。

針對J級航段船舶無法拖航調(diào)遣、急流灘船舶上灘困難、拋錨移錨困難、船舶定位困難、鉆機(jī)套管垂直度控制困難、流急容易破壞炮線、水陸交界巖石邊坡陡峭鉆孔困難、受電站影響水位變幅大、陡漲陡落等問題，本文通過實踐研發(fā)了急流鉆機(jī)船鉆孔爆破施工關(guān)鍵技術(shù)，通過該技術(shù)的應(yīng)用解決了急流條件下灘險施工困難、效率低、安全風(fēng)險高的問題，為山區(qū)河流急流灘施工提供一種新的解決方案。

1 急流灘鉆孔爆破施工

1.1 模塊化分體鉆機(jī)船技術(shù)

急流灘鉆孔爆破施工工法的原理是對急流灘進(jìn)行水文分析，應(yīng)用流體力學(xué)、流體動力學(xué)原理，尋找出對施工船最不利的條件和有關(guān)因素，分析、計算鉆機(jī)船在這些因素作用下的受力情況，尋找解決施工船定位難、鉆孔困難的解決方案。

內(nèi)陸河流、湖泊受地理環(huán)境影響，船舶調(diào)遣常受限制，現(xiàn)有船舶不能調(diào)遣到施工區(qū)域，因此必須采用模塊化分體船設(shè)計，船舶設(shè)計圖紙經(jīng)船檢機(jī)關(guān)審驗合格，在有條件的船廠生產(chǎn)出各個箱體組裝而成，再經(jīng)船檢機(jī)關(guān)檢驗合格，拆分后通過公路運輸將各箱體運送到J級河段或封閉湖泊，拼裝成船舶再經(jīng)船檢機(jī)關(guān)檢驗合格頒發(fā)船檢證書，才能投入使用。為便于船舶運輸，設(shè)計時船舶各箱體參考20 ft(1 ft=0.305 m)普通標(biāo)準(zhǔn)集裝箱、掛車尺寸，船舶箱體外形尺寸為12 m×2.4 m×2.35 m(長×寬×高)和9 m×2.4 m×2.35 m(長×寬×高)，箱體間采用“工”形連接結(jié)構(gòu)，其中1號箱是船舶中央箱體，配置發(fā)電機(jī)、液壓等，為動力艙；5號箱為空壓機(jī)艙；6號箱和6′號箱是推進(jìn)器艙，互為對稱結(jié)構(gòu)；4號箱和4′號箱互為對稱，2、4、4′箱組成船首，3、6、6′箱組成船尾，組裝時以1號箱為中心進(jìn)行組裝，拼裝順序為1→2→3→5→5′→4→4′→6→6′，箱體組成的船體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 箱體組成的船體結(jié)構(gòu)

1.2 急流灘鉆孔爆破定位技術(shù)

在急流灘船舶受到季風(fēng)、流速等自然環(huán)境的影響，施工船舶一般采用四錨纜、五錨纜或者六錨纜定位系統(tǒng)，此類定位系統(tǒng)存在的問題：鉆機(jī)船在剪刀水、泡水、漩渦、回流、橫流、風(fēng)等外界因素作用下，平面位置不穩(wěn)定，四錨纜定位系統(tǒng)發(fā)生前、后、左、右移位較大；五錨纜定位系統(tǒng)發(fā)生前、后移位較大，左、右移位困難；六錨纜定位系統(tǒng)在回流、泡水區(qū)會發(fā)生前、后位移且變幅大，鉆機(jī)孔位精度無法滿足爆破要求[1]。雖然六錨纜定位系統(tǒng)船舶平面位置穩(wěn)定，但船舶偏離前、后兩主纜中心線后，受兩主纜的橫向力及水流力影響，船舶橫向移動困難，故其可作業(yè)的區(qū)域狹長，會增加拋錨次數(shù)、降低施工效率[2]。在瀾滄江244界碑至臨滄港IV級航道整治建設(shè)工程中提出七錨纜定位系統(tǒng)思路并進(jìn)行設(shè)計、研制，解決船舶定位困難問題，使急流狀態(tài)下爆破作業(yè)得以正常開展。七錨纜定位系統(tǒng)見圖2。

圖2 七錨纜定位系統(tǒng)

1.3 平行雙滾筒錨機(jī)

采用七錨纜船舶定位系統(tǒng)，按原來的錨機(jī)結(jié)構(gòu)就需要布置7臺錨機(jī)，錨機(jī)所占甲板面積較大，不利于船舶甲板總體布置[3]，故設(shè)計出合二為一的錨機(jī)，減少錨機(jī)占位，便于集中控制，僅一人就能完成船舶定位操作，經(jīng)使用驗證該錨機(jī)操作簡單、安全、效率高、便于集控，錨機(jī)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 平行雙滾筒錨機(jī)

1.4 鉆機(jī)套管導(dǎo)正鉆孔技術(shù)

在緩流水面鉆孔施工，流速在3.5 m/s以下，鉆孔時靠套管的自身重力下落就能保證套管垂直，無需其他輔助裝置即可進(jìn)行鉆孔作業(yè)。但在急流灘，流速達(dá)到5 m/s時，套管進(jìn)入水面以下2～3 m處就不能僅靠自身重力下落至巖層表面，而且套管傾斜嚴(yán)重、晃動大，無法進(jìn)行鉆孔作業(yè)，通過套管受力分析、計算，研制出套管垂直導(dǎo)向系統(tǒng)，解決了收放套管及保持垂直度的難題，使鉆孔工作得以順利開展[4]。

套管垂直導(dǎo)向系統(tǒng)是在原鉆機(jī)卡盤的行程之外增加導(dǎo)向盤，由上部、下部導(dǎo)向盤組成，上部導(dǎo)向盤由左右擺臂組成，擺臂與鉆架連接，右擺臂上安裝彈性導(dǎo)輪、液壓裝置，左擺臂上安裝固定導(dǎo)輪，上部導(dǎo)向盤可以牢固鎖緊套管；下部導(dǎo)向盤由U形槽、彈性導(dǎo)輪組成，下部導(dǎo)向盤對套管進(jìn)行縱向支撐。套管入水后受水壓作用，壓力會傳導(dǎo)到下部和上部導(dǎo)向盤的彈性導(dǎo)輪。根據(jù)作用在套管上的最大主流方向上的垂線平均流速，計算套管所受動水壓力的大小及作用點，通過力矩平衡計算，求出下部和上部導(dǎo)向盤的彈性導(dǎo)輪壓力，再計算彈性導(dǎo)輪與套管之間的摩擦力大小，確定卡盤推進(jìn)和提升套管需要的推力，確定卡盤動力以及上部、下部導(dǎo)向盤之間的間距[5]。套管垂直導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 套管垂直導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

1.5 軌道式平行鉆機(jī)機(jī)架系統(tǒng)

傳統(tǒng)的鉆機(jī)船為固定式鉆架，鉆機(jī)不能移動，鉆孔孔距固定不變，鉆孔施工過程中遇到水陸交界的巖石、孤石、斜坡、散石夾層時不能靈活移動，難以應(yīng)對復(fù)雜巖層的鉆孔要求，影響施工效率和施工質(zhì)量。軌道式平行鉆機(jī)機(jī)架的研發(fā)解決了施工過程中遇到的這些難題，將鉆機(jī)安裝到軌道式平移鉆架上，不僅使船舶鉆架結(jié)構(gòu)拆裝方便、安全系數(shù)高，同時因鉆架可以任意調(diào)節(jié)位置，水下鉆孔爆破針對不同環(huán)境和不同地質(zhì)條件都能進(jìn)行靈活調(diào)整，并且移動鉆架減少船舶整體移動，顯著提高了施工效率。

軌道式平行鉆機(jī)機(jī)架包括鉆架板、滑輪組、固定卡扣、軌道底座。鉆架板分別與滑輪組及固定卡扣固定連接，軌道底座固定在船上，通過滑動上方的滑輪組操控固定卡扣，鉆架板上安裝鉆機(jī)，從而實現(xiàn)鉆機(jī)隨鉆架板在軌道底座的移動，具有安裝簡便、移動靈活、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、拆裝簡易、運輸輕便等優(yōu)點。

1.6 安防起爆網(wǎng)路系統(tǒng)

安防起爆網(wǎng)路由起爆網(wǎng)路和安防線路構(gòu)成，起爆網(wǎng)路由爆破激發(fā)器、起爆電纜、擊發(fā)針、導(dǎo)爆管、傳爆雷管、導(dǎo)爆管和起爆雷管組成，其中：導(dǎo)爆管和傳爆雷管是傳爆層，根據(jù)網(wǎng)路的復(fù)雜性設(shè)置一層或多層；安防線路主要由防護(hù)繩組成受力線路，起爆電纜纏繞在主防護(hù)尼龍繩上，起爆電纜不受力，形成安全主起爆線；孔內(nèi)導(dǎo)爆管、支防護(hù)繩穿過膠管后引出到孔外，并拉到船上系炮線樁綁好，導(dǎo)爆管纏繞在支防護(hù)尼龍繩上，支防護(hù)繩受力而導(dǎo)爆管不受力，形成安全支爆破線。當(dāng)總藥量接近最大起爆藥量時，進(jìn)行主起爆線與支爆破線安全連接，先將主防護(hù)繩與支防護(hù)繩連接形成受力線路，然后傳爆層連接支爆破線，最后主起爆線連接傳爆層，形成起爆線路并松弛地纏繞在受力線路上，當(dāng)主起爆線連接傳爆層時，傳爆層的導(dǎo)爆管、主起爆線一端的擊發(fā)針分別從安防裝置兩端端蓋中心穿入，用防水膠布將擊發(fā)針和導(dǎo)爆管連接后放入擊發(fā)針安防裝置內(nèi)，將端蓋擰緊，用防水膠布纏緊縫隙，將擊發(fā)針安防裝置綁扎到受力線路上。

在施工過程中，鉆機(jī)船處于鉆孔工作位置和起爆位置[6]。鉆孔位置要防止藥柱從炮孔中浮出，支防護(hù)繩長度為3倍水深；在起爆位置時主防護(hù)繩長度約1.5倍鉆機(jī)船與最遠(yuǎn)炮孔間距。按最大垂線流速處計算防護(hù)繩受力，并選擇相應(yīng)直徑的防護(hù)繩。起爆網(wǎng)路見圖5。

圖5 起爆網(wǎng)路

2 施工工藝流程

2.1 工藝流程

急流灘鉆孔爆破施工工藝流程見圖6。

圖6 施工工藝流程

2.2 船體組合

船體組合選擇在施工河段的船廠或沙場、平緩沙灘進(jìn)行。準(zhǔn)備好相應(yīng)噸位的吊車、空壓機(jī)、卷揚機(jī)、滑輪組、鋼絲繩、氣囊、千斤頂、葫蘆、沙袋、木樁、墊木、墊墩、墊板等工具，為1～6′箱體吊裝。在箱體拼接縫位置兩邊布置墊木，墊木基礎(chǔ)部位夯實，墊木上面放置沙袋找平，標(biāo)示出各個箱體的對應(yīng)位置，形成一個箱體拼裝的組合平臺。墊木離地高度以能放入氣囊、千斤頂?shù)绕渌ぞ叻奖悴僮鳛闇?zhǔn)。吊裝順序為1→2→3→5→5′→4→4′→6→6′，先吊1號箱放到組合平臺上的1號位置，再吊2號箱到組合平臺上的2號位置，用葫蘆、墊板等配合，使1、2號箱對接準(zhǔn)確，安裝連接部件，使兩個箱體連接牢固，按順序?qū)⑵渌潴w連接牢固完成船體組合。檢查連接部位情況，并進(jìn)行維護(hù)后，用卷揚機(jī)、滑輪組、鋼絲繩固定船舶，將多個氣囊均勻分布穿過船底，逐個充氣，使所有氣囊都頂?shù)酱?，隨時觀察各個氣囊氣壓情況，保持各氣囊氣壓基本一致，檢查各氣囊氣壓、卷揚機(jī)、滑輪組、鋼絲繩以及船舶穩(wěn)定情況，確認(rèn)安全后，啟動卷揚機(jī)，緩慢放松鋼絲繩，使船舶沿斜坡慢慢移動，將船舶送入水中，綁好錨纜，錨泊船舶。

2.3 測量定位

根據(jù)施工圖，設(shè)計炸礁區(qū)鉆機(jī)船錨位、鉆孔孔位、疏浚區(qū)開挖斗位等電子放樣圖，將電子放樣圖導(dǎo)入衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)中，即可實時監(jiān)控施工質(zhì)量。

鉆機(jī)船錨位根據(jù)地形、作業(yè)區(qū)域、施工水位漲落變化的情況，將兩前主錨設(shè)置為水中錨位和岸上錨位，四橫錨設(shè)置為岸錨，艉主錨設(shè)置為水中錨位。其中水中錨位一般設(shè)在施工區(qū)域上、下游邊界100 m以外，前主錨一般在作業(yè)點10倍船長以外拋設(shè)水錨，錨位選在錨艇容易到達(dá)且能夠進(jìn)行拋錨操作的水域，測量船預(yù)先在錨位點航行，根據(jù)流態(tài)、流速、水深確認(rèn)其可行性，確定錨位點坐標(biāo)并錄入電子放樣圖中；岸錨分高、中、低水位錨位，用GPS實地勘察選擇適合的岸錨點并將坐標(biāo)記錄，為后續(xù)制作錨固點做準(zhǔn)備。

2.4 鉆機(jī)錨機(jī)安裝調(diào)試

船體組裝完成后，連接動力線路、照明線路、安裝鉆機(jī)、錨機(jī)設(shè)備等。其中鉆機(jī)由鉆架模塊、動力接入模塊、鉆進(jìn)模塊、導(dǎo)向模塊、操作平臺模塊組成。錨機(jī)由卷揚機(jī)、導(dǎo)纜器、錨纜、錨組成。

調(diào)試鉆機(jī)船上GPS測量定位系統(tǒng)導(dǎo)入調(diào)試區(qū)的電子放樣圖，測量鉆機(jī)的鉆孔中心位置坐標(biāo)，用另外一套GPS校核船上GPS測量定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，確保定位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。根據(jù)電子放樣圖上預(yù)設(shè)的錨位坐標(biāo)，指揮錨艇依次將主錨及錨纜、橫錨及錨纜拋設(shè)到預(yù)定的錨位，待七錨全部拋好后，緩慢收緊錨纜使船舶固定，觀察電子放樣圖上船舶位移幅度大小，繼續(xù)收緊錨纜，直至船舶位移幅度小于20 cm。指揮船舶移動使鉆機(jī)的鉆位與電子放樣圖的設(shè)計孔位重合，觀察鉆位與孔位位移變幅小于20 cm后，開啟導(dǎo)向模塊下套管，啟動鉆進(jìn)模塊鉆孔，鉆孔過程中監(jiān)控鉆位與孔位位移變化情況，直至鉆機(jī)船調(diào)試完成。

2.5 制作錨固點及安裝系纜裝置

錨固點有混凝土、巖石、鋼樁等[7]，混凝土錨固點是將帶鋼絲繩、系纜環(huán)的混凝土塊埋入土中[8]，鋼絲繩另一端系快速脫纜鉤，鉆機(jī)船出纜時將纜繩系到快速脫纜鉤上，即可進(jìn)行移船定位；石頭錨固點是將纜繩直接繞在牢固的石頭上，引出鋼絲繩系上快速脫纜鉤，供船舶掛纜；鋼樁錨固點是用風(fēng)炮在巖石上鉆孔，將鋼樁埋入孔內(nèi)澆筑混凝土，鋼樁頭部安裝系纜環(huán)和快速脫纜鉤，供船舶掛纜?？焖賿炖|脫纜裝置見圖7。

圖7 快速掛纜脫纜裝置

2.6 確定孔位

鉆機(jī)船駛?cè)胱鳂I(yè)區(qū)域，在上游按預(yù)設(shè)的錨位將兩前主錨拋好，固定船舶，然后用錨艇將橫纜掛到預(yù)設(shè)的錨固點上。通過電子放樣圖控制錨纜使船舶移動到需要鉆孔的位置附近，停下船舶拋設(shè)后主錨。七錨纜布置好后，指揮船舶移動使鉆機(jī)的鉆位與設(shè)計孔位重合。

2.7 垂直導(dǎo)向鉆孔

開啟套管垂直導(dǎo)向系統(tǒng)，其上、下部導(dǎo)向盤分別卡緊套管，控制上、下部導(dǎo)向盤預(yù)應(yīng)力，使套管緩慢入水，當(dāng)套管入水一定深度后，受水流力作用，套管與導(dǎo)向輪摩擦力逐步增大，套管靠自身重力不能下沉，將卡盤上升至上部導(dǎo)向盤，然后卡緊套管，推動卡盤至下部導(dǎo)向盤，松開套管，上、下部導(dǎo)向盤抱緊套管，卡盤上升至上部導(dǎo)向盤，卡緊套管，同時上、下部導(dǎo)向盤松開，向下推進(jìn)卡盤至下部導(dǎo)向盤，如此反復(fù)推進(jìn)，直至將套管壓至巖面，套管安裝完成，接著下鉆桿，鉆桿上連接著鉆頭、沖擊器，鉆頭接觸到巖面后，給沖擊器提供動力，使沖擊器工作，鉆頭沖擊巖石。采用吊打的方法打出一個可以放套管的凹槽，套管嵌入凹槽并在卡盤持續(xù)向下的推進(jìn)力作用下，套管能夠很好地護(hù)住炮孔口。

2.8 安裝防護(hù)藥柱

在鉆孔同時，計算并提取裝藥參數(shù)，炮孔裝藥量，裝藥段長度、堵塞段長度，膠管長度，加工防護(hù)藥柱，藥柱由膠管、尼龍繩、竹片、綁扎繩、雷管、導(dǎo)爆管、炸藥卷綁扎而成，見圖8。

圖8 起爆線路安全防護(hù)裝置

2.9 布設(shè)安防起爆網(wǎng)路及起爆

各炮孔裝藥完成，總藥量接近一次控制的起爆藥量后布設(shè)起爆網(wǎng)路，采用導(dǎo)爆管激發(fā)器、起爆電纜、擊發(fā)針、尼龍繩、膠管、擊發(fā)針防護(hù)裝置、防水膠布、塑料導(dǎo)爆管等器材。啟動導(dǎo)爆管激發(fā)器發(fā)出起爆信號，起爆信號通過起爆電纜傳給擊發(fā)針，擊發(fā)針將起爆信號傳給塑料導(dǎo)爆管→傳爆雷管→起爆雷管。其中各個炮孔內(nèi)安裝不同段別的塑料導(dǎo)爆管雷管作為起爆雷管；炮孔外用不同類型的塑料導(dǎo)爆管雷管作為傳爆雷管。將各個炮孔中的起爆雷管的腳線捋順成簇，腳線(即導(dǎo)爆管)用防水膠布纏繞在尼龍繩上，將傳爆雷管的腳線從一端穿進(jìn)擊發(fā)針保護(hù)裝置，擊發(fā)針與起爆電纜連接好從另一端穿進(jìn)擊發(fā)針保護(hù)裝置，擰緊保護(hù)蓋，用防水膠布纏繞擊發(fā)針保護(hù)裝置兩端防止漏水。根據(jù)設(shè)計的線路長度配合船舶移動，慢慢放松尼龍繩，直至船舶移動到指定位置，將尼龍繩綁在系炮線樁上，起爆線路松弛地掛在另外一個系炮線樁上。警戒、清場無安全隱患后，將起爆電纜連接激發(fā)器，按照起爆信號指示啟動按鈕起爆。

3 結(jié)論

1)模塊化組合工程船機(jī)動性強(qiáng)，拼裝后進(jìn)行施工可減少工程船儲備量，減少了船舶管理成本、造船成本，縮短施工工期，更能適應(yīng)施工項目分散的特點。

2)七錨纜布置方法使工程船在急流環(huán)境下保持穩(wěn)定，急流環(huán)境施工過程不易發(fā)生移位、穩(wěn)定時效長、可移船范圍大、有效工作面廣，減少了拋錨次數(shù)，解決工程船在急流環(huán)境下易移位、施工困難的問題，使急流狀態(tài)下爆破作業(yè)得以正常開展。